CN101126678B - 牙轮钻头浮动套轴承实验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
牙轮钻头浮动套轴承实验方法及装置，该方法通过在轴承试件上施加不同的轴向和径向载荷，改变轴承外圈转速、钻井液压力和润滑脂压力等参数，测出不同工况下浮动套的转速、轴承的摩擦力矩、摩擦系数、轴承内不同位置的温度及浮动套磨损量等参数，通过数据处理结果对浮动套轴承的性能研究和评价，为轴承的设计提供实验依据。其装置由动力端主轴变速箱、计算机控制系统、A/D模数转换器、万向联轴器、信号采集变送器、传感器、液压径和轴向加载系统、浮动套轴承试件、尾轴、润滑脂补偿系统及钻井液循环冷却系统相互连接组成。其有益效果是实验条件与实际工况接近，实验结果不需相似理论的转换，只需简单处理即可用于实际的设计。
Description
技术领域
本发明涉及一种牙轮钻头浮动套轴承的实验方法，本发明还涉及该浮动套轴承实验方法的实验装置，属于石油勘探开发和机械工程交叉技术领域。
背景技术
随着工业现代化进程的不断推进，对大功率、高转速的机械设备需求量不断提高，工作环境日趋复杂。轴承作为机械设备的关键部件对其各方面的性能要求随之也越来越高。滑动轴承已广泛应用于各种机械设备中，如何提高其寿命和工作可靠性也越来越成为人们普遍关注的问题。目前对滑动轴承的研究主要集中在两个方面：一方面研制新的轴承材料，以适应复杂的工作特点和恶劣的工作环境；二是改进轴承结构，通过动力学、摩擦学、润滑机理的分析实现对结构的优化设计。浮动套轴承就是对滑动轴承进行结构改进的一种新结构滑动轴承。在高转速、低载荷的工况，浮动套轴承内外摩擦副一般都处于流体润滑状态，其理论目前已经比较完善；但在牙轮钻头这种低转速、重载荷的工况当中，浮动套轴承内外摩擦副一般为介于流体润滑与边界润滑之间的混合润滑或部分润滑状态，其理论分析比较复杂，目前处于初步研究阶段，难以为高速牙轮钻头浮动套轴承的设计提供理论和实验依据。
发明内容
为了了解不同尺寸、不同结构的浮动套轴承对牙轮钻头性能的影响，在理论分析不够准确的情况下，本发明提出牙轮钻头浮动套轴承的实验方法及装置，用实验来弄清浮动套轴承间隙配合参数对其摩擦力矩、温升、磨损损耗等性能参数的影响关系，从而研究浮动套轴承在不同转速范围和钻压下的合理结构参数，为高速牙轮钻头浮动套轴承的设计提供理论和实验依据。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：牙轮钻头浮动套轴承实验方法包括以下几个步骤：
第一步，确定实验工况各载荷的组合大小，精确测量轴承所有原始结构参数，清洗试件，称浮动套净重，记录所有原始数据；第二步，将浮动套轴承试件连同传感器(包括1～5个K型热电偶和1个霍尔传感器)涂满润滑脂后装入实验机；第三步，启动动力端变速箱，调整转速为设定工况，启动液压加载系统至设定工况的载荷；第四步，稳定运转10分钟，其间记录温度传感器的变化；第五步，进行数据的采集，保存数据；第六步，将载荷更改至预定值，重复第四、第五步；第七步，改变转速设定值，重复第四、第五、第六三个步骤的操作；第八步，停机，拆下试件；第九步，取出浮动套20洗净，晾干，称重，记录数据；第十步，更换试件，重复以上步骤，直至实验结束。
为了解决上述技术问题，本发明还提出采取该实验方法的牙轮钻头浮动套轴承实验装置，由动力端主轴变速箱、计算机控制系统、A/D模数转换器、万向联轴器、浮动套、信号采集变送器、温度传感器、霍尔传感器、三个压力传感器、液压径向加载系统、浮动套轴承试件、尾轴、液压轴向加载系统、润滑脂补偿系统以及钻井液循环冷却系统相互连接组成。所述浮动套轴承试件由内圈和外圈组成。所述外圈与内圈之间安装有浮动套和密封圈；所述温度传感器位于在轴承内圈上，呈120°均匀分布；所述浮动套上镶有一到十个金属块；所述尾轴上端开有一个油孔；所述浮动套轴承试件的外圈通过键与万向联轴器连接，万向联轴器与动力端主轴变速箱连接；所述霍尔传感器安装在浮动套轴承试件的内圈的表面凹槽中；三个压力传感器分别安装于液压径向加载系统、尾轴、液压轴向加载系统上。
本发明与现有技术比较，具有以下有益效果：实验中采用轴承外副转动，在轴承内副上施加载荷，采用与实际尺寸相同的试件进行实验，因此，实验条件与实际工况尽可能接近，实验结果不需要经过相似理论的转换，只需进行简单的处理过后即可用于实际的设计当中；通过本发明的方法和装置，可以简单有效的测试出一定结构尺寸下牙轮钻头浮动套轴承在不同钻井工况下表现出的性能，进而为设计出高性能、长寿命的产品提供依据。
附图说明
图1为本发明的实验装置结构示意图。
图2为本发明装置中轴承试件安装局部放大图。
图3为本发明装置中浮动套的剖视图
图4为本发明装置中轴承试件的内圈
图5为本发明装置中轴承试件内圈的剖视图
图中：1.动力端变速箱，2.计算机控制系统，3.A/D模数转换器，4.万向轴，5.信号采集变送器，6.温度传感器，7.霍尔传感器，8.压力传感器，9.压力传感器，10.压力传感器，11.液压径向加载系统，12.浮动套轴承试件，13.尾轴，14.液压轴向加载系统，15.润滑脂补偿系统，16.钻井液循环冷却系统，17.密封腔，18.轴承套，19.键，20.浮动套，21.外圈，22.密封圈，23.内圈，24.油孔，25.金属块。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明中动力端主轴变速箱1与万向轴4连接，浮动套轴承试件12的外圈21通过键19与万向轴4上的轴承套18连接。浮动套轴承试件12的内圈23由尾轴13固定。浮动套轴承试件12的外圈21与内圈23之间安装有浮动套20和密封圈22。液压径向加载系统11对尾轴13施加一个径向作用力，液压轴向加载系统14对尾轴13施加一个轴向作用力。润滑脂补偿系统15通过尾轴13上的油孔24为浮动套轴承试件12提供润滑脂。钻井液循环冷却系统16通过管线在浮动套轴承试件12的密封腔17内循环冷却水。
通过在轴承内圈23表面凹槽中布置的一到五个温度传感器6测量轴承内腔不同位置的温度。在浮动套20上镶有一到十个金属块25，当金属块25随浮动套旋转到与安装在轴承内圈23表面凹槽中霍尔传感器7相对应的位置时，霍尔传感器7会输出一个脉冲信号，将这个脉冲信号进行处理后就可以得到浮动套20的转速。压力传感器8安装于径向加载液缸上，测量作用于浮动套轴承试件12上的径向载荷。压力传感器9安装于尾轴13上，测量扭矩。压力传感器10安装于轴向加载液缸上，测量作用于浮动套轴承试件12上的轴向载荷。信号采集变送器5采集传感器6、7、8、9、10的信号，通过A/D模数转换器3将模拟信号转换成数字信号后传递给计算机控制系统2。
牙轮钻头浮动套轴承实验装置的实验方法如下：为了使实验条件与实际工况尽可能接近，实验中采用轴承外副转动，在轴承内圈23上施加载荷，即动力端变速箱1通过万向轴4带动轴承外圈21转动，转速由计算机控制；轴承内圈23由尾轴13固定不动，通过加载系统通过尾轴13把载荷作用到内圈23上，载荷由计算机通过液压缸控制。在实验开始之前应根据钻头实际工况确定实验工况，便于实验过程中转速和载荷的确定。然后测量实验轴承所有原始结构参数，清洗试件，称浮动套20的净重，记录所有原始数据；将浮动套轴承试件12连同传感器涂满润滑脂后装入实验机；启动动力端变速箱1，确定转速，启动液压加载系统到给定工况下的载荷；稳定运转5～15分钟，其间记录温度的变化；进行数据的采集，保存数据；然后分别改变载荷和转速重复操作，最后停机拆试件，清洗浮动套20，晾干，称重，记录数据；更换试件，重复以上步骤，直至实验结束。
具体实施例如下：
(1)确定实验工况各载荷的组合大小，精确测量轴承所有原始结构参数，清洗试件，称浮动套20净重，记录所有原始数据；
(2)将浮动套轴承试件12连同传感器(包括1～5个K型热电偶和1个霍尔传感器)涂满润滑脂后装入实验机；
(3)启动动力端变速箱1，调整转速为设定工况，启动液压加载系统至设定工况的载荷；
(4)稳定运转10分钟，其间记录温度传感器的变化；
(5)进行数据的采集，保存数据；
(6)将载荷更改至预定值，重复步骤(4)、(5)；
(7)改变转速设定值，重复(4)、(5)、(6)三步操作；
(8)停机，拆下试件；
(9)取出浮动套20洗净，晾干，称重，记录数据；
(10)更换试件，重复以上步骤，直至实验结束。
Claims (2)
1.牙轮钻头浮动套轴承实验装置，其特征在于，由动力端主轴变速箱(1)、计算机控制系统(2)、A/D模数转换器(3)、万向联轴器(4)、浮动套(20)、信号采集变送器(5)、温度传感器(6)、霍尔传感器(7)、三个压力传感器(8、9、10)、液压径向加载系统(11)、浮动套轴承试件(12)、尾轴(13)、液压轴向加载系统(14)、润滑脂补偿系统(15)以及钻井液循环冷却系统(16)相互连接组成；所述浮动套轴承试件(12)由内圈(23)和外圈(21)组成；所述外圈(21)与内圈(23)之间安装有浮动套(20)和密封圈(22)；所述浮动套(20)上镶有一到十个金属块(25)；所述尾轴(13)上端开有一个油孔(24)；所述浮动套轴承试件(12)的外圈(21)通过键(19)与万向联轴器(4)连接，万向联轴器(4)与动力端主轴变速箱(1)连接；所述温度传感器(6)安装在浮动套轴承试件(12)的内圈(23)上，呈120°均匀分布；所述霍尔传感器(7)安装在浮动套轴承试件(12)的内圈(23)的表面凹槽中；三个压力传感器(8、9、10)分别安装于液压径向加载系统(11)、尾轴(13)、液压轴向加载系统(14)上。
2.根据权利要求1所述的牙轮钻头浮动套轴承实验装置的实验方法，其特征在于包含以下步骤，第一步，确定实验工况各载荷的组合大小，精确测量轴承所有原始结构参数，清洗试件，称浮动套(20)净重，记录所有原始数据；第二步，将浮动套轴承试件(12)连同温度传感器(6)、霍尔传感器(7)、三个压力传感器(8、9、10)涂满润滑脂后装入牙轮钻头浮动套轴承实验机；第三步，启动动力端主轴变速箱(1)，调整转速为设定工况，启动液压加载系统至设定工况的载荷；第四步，稳定运转10分钟，其间记录温度传感器(6)的变化；第五步，进行数据的采集，保存数据；第六步，将载荷更改至预定值，重复第四、第五步；第七步，改变转速设定值，重复第四、第五、第六三个步骤的操作；第八步，停机，拆下试件；第九步，取出浮动套(20)洗净，晾干，称重，记录数据；第十步，更换试件，重复以上步骤，直至实验结束。
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